ОПТЛР2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Основы планарной технологии»

Тема: ионно-химическое осаждение слоев бинарных широкозонных полупроводников и диэлектриков

Студенты гр.1205 __________________ Дюкарев Д.А.

__________________ Атуев И.З.

__________________ Новицкий А.Н.

Преподаватель __________________ Мазинг Д.С.

Санкт-Петербург

2024

1. В чем заключается сущность процесса ионного распыления?

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования ионного распыления показывают, что основным механизмом взаимодействия между бомбардирующими ионами и атомами материала является процесс передачи импульса, то есть распыление осуществляется за счет упругих столкновений, приводящих к прямому выбиванию атомов из равновесных положений.

Ионное распыление материала начинается, когда энергия ионов E_и превысит некоторую величину E_пор, получившую название пороговой энергии распыления. При E_и< E_пор ионы не распыляют материал, и при взаимодействии с атомарно-чистой поверхностью происходят их отражение или адсорбция с последующей десорбцией.

2. Чем характеризуется процесс ионного распыления?

Процесс распыления материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления K, который определяется как среднее число атомов, выбиваемых с поверхности материала одной падающей частицей. Падающими частицами могут быть ионы, нейтральные атомы и электроны. При физическом распылении материалов ионной бомбардировкой коэффициент распыления K, ат./ион, определяется как:

, (1)

где N_a - число выбитых (распыленных) атомов материала; N_d - число ионов бомбардирующих материал.

3. В чем отличие процесса распыления простых мишеней от сложных?

В отличие от простых мишеней коэффициент распыления мишеней сложного состава требует учета явлений, связанных с наличием в составе мишени частиц нескольких сортов, отличающихся массой, размерами и коэффициентами распыления. Основным препятствием при изучении распыления из многокомпонентной мишени является то, что в начальный момент времени компоненты необязательно распыляются стехиометрически, в связи с чем состав может изменяться в некотором интервале глубин под бомбардируемой поверхностью. Уменьшение концентрации легкораспыляемого компонента в приповерхностной зоне ведет к уменьшению скорости его распыления, и, в конце концов, может достигаться стационарный режим, в котором состав потока распыленных атомов соответствует составу в объеме мишени. Наблюдаемое поверхностное обогащение мишени труднораспыляемым компонентом в основном коррелирует с коэффициентами распыления элементов, входящих в состав мишени. Однако, в некоторых соединениях определяющую роль играют эффекты, связанные с различием атомных масс элементов, что приводит к обогащению поверхности тяжелыми элементами при этом полный коэффициент распыления близок к коэффициенту распыления труднораспыляемого компонента.

4. От каких факторов зависит процесс переноса материала от мишени до поверхности конденсации? Поясните каждый из них.

Процесс переноса распыленного материала от мишени до поверхности конденсации зависит от средней энергии распыленных частиц, их углового распределения, давления рабочего газа, расстояния между распыляемой и приемной поверхностями, а также от наличия электрических и магнитных полей, определяющих движение ионизированных атомов распыленного материала.

Средняя энергия распыленных частиц в области энергий, обычно используемых при распылении 0.55 кэВ, лежит в диапазоне от 10 до 100 эВ. При наклонном падении ионов энергия распыленных частиц возрастает, в то время как при уменьшении массы бомбардирующих ионов и атомов распыляемого материала энергия частиц уменьшается.

5. Как влияет давление на скорость осаждения. Приведите критерий при котором реализуется тот или иной механизм переноса вещества. Объясните его.

С увеличением давления рабочего газа увеличивается вероятность возвращения распыленных атомов на мишень в результате процессов обратной диффузии и обратного рассеяния (отражения). Первый случай реализуется, когда средняя кинетическая энергия распыленных частиц равна средней кинетической энергии атомов инертного газа. При значительных различиях в кинетических энергиях соударяющихся частиц происходит обратное рассеяние. Поэтому на практике для выбора оптимального технологического режима очень важно уметь оценивать давление газа, при котором реализуется тот или иной механизм переноса вещества.

Давление газа, при котором имеет место обратная диффузия или обратное рассеяние можно оценить по формуле [3]:

, (3)

где - давление газа, приведенное к T=273 K; - средняя длина направленного пробега распыленных атомов при p= 1 Па; d - расстояние от поверхности мишени до поверхности конденсации.

Если масса распыленных частиц меньше массы атомов рабочего газа, то основным процессом, определяющим возвращение частиц на мишень в области , является обратное рассеяние. В области распыленные частицы возвращаются на мишень, как за счет обратного рассеяния, так и за счет обратной диффузии.

6. Особенности процесса роста в условиях ионно-химического осаждения.

При ионно-химическом осаждении материалы осаждаются на подложку в неравновесных условиях, характеризующихся высокими степенями пересыщения и бомбардировкой поверхности частицами с высокими энергиями. Процессы роста включают два этапа: формирование адсорбционного слоя и встраивание атомов в кристаллическую решетку. Условия роста подбираются эмпирически, а основными факторами, влияющими на структурообразование, являются температура подложки и энергия частиц, попадающих на поверхность, что позволяет контролировать качество слоя.

7. Критерии оптимизации и факторы, влияющие на качество осаждаемых слоев.

Оптимизация процесса ионно-химического осаждения требует контроля химического состава и структурного совершенства пленок. Основные факторы: плотность потока вещества, температура подложки, энергия частиц и давление в рабочей камере. Эти параметры помогают получать монокристаллические пленки с гладкой поверхностью и минимальным количеством дефектов.

8. Сущность физического распыления.

Физическое распыление основано на выбивании атомов с поверхности мишени за счет бомбардировки ионами, при этом энергия ионов должна превышать пороговую энергию для эффективного распыления. Это позволяет осаждать материалы на подложке без химических изменений, обычно в среде инертного газа.

9. Сущность ионно-химического распыления.

Ионно-химическое распыление подразумевает распыление материала мишени в присутствии реакционного газа. Процесс сопровождается химическими реакциями, приводящими к образованию соединений (например, оксидов или нитридов) на подложке. Это позволяет получать пленки сложных соединений, управляя их химическим составом и структурой через концентрацию реакционного газа.

10. Преимущества и недостатки различных систем плазменного распыления материалов.

• Диодные системы: обеспечивают стабильные условия для осаждения, но требуют высокого давления и имеют низкую скорость осаждения.

• ВЧ-диодные и триодные системы: повышают скорость осаждения, но усложняют контроль распределения состава.

• Магнетронные системы: позволяют достичь высокой скорости осаждения при низком давлении, эффективно ионизируют распыляемый материал и снижают бомбардировку подложки электронами, что улучшает качество пленок.

11. Принцип действия магнетронной распылительной системы. Магнетронная система использует магнитное поле для удержания электронов у поверхности мишени, создавая замкнутую траекторию их движения. Электроны многократно ионизируют рабочий газ, увеличивая концентрацию ионов, что приводит к эффективной бомбардировке мишени и высокоскоростному осаждению.